MIMO天線3種技術(shù)分析

0 前言

多入多出（MIMO）系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內(nèi)復(fù)雜無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境下的無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)，在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40 bit/s/Hz；而使用傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號(hào)多徑會(huì)引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，被認(rèn)為是新一代無(wú)線通信技術(shù)的革命。

1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術(shù)

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當(dāng)前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時(shí)編碼、空間復(fù)用和波束成型等3種多天線技術(shù)來(lái)提升無(wú)線傳輸速率及品質(zhì)。

1.1 發(fā)射分集的空時(shí)編碼

基于發(fā)射分集技術(shù)的空時(shí)編碼主要有2種，即空時(shí)分組碼（STBC）和空時(shí)格碼（STTC）。雖然空時(shí)編碼方案不能直接提高數(shù)據(jù)率，但是通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號(hào)在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件。

1.1.1 空時(shí)分組碼（STBC）

STBC在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率，它通過(guò)在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度，使信號(hào)在接收端獲得分集增益，空時(shí)分組碼是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從多根天線發(fā)射出去。MIMO系統(tǒng)的原理如圖1所示，傳輸信息流s（k）經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci（k），i=1，...，N。這N個(gè)信息子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射信號(hào)，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立不相關(guān)，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。

STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡(jiǎn)單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的性能，很快進(jìn)入了3GPP標(biāo)準(zhǔn)。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從2個(gè)天線上發(fā)射出去，2路信號(hào)由于具有正交性，在接收端就能將2路獨(dú)立的信號(hào)區(qū)別出來(lái)，只需要做簡(jiǎn)單的線性合并就可以獲得分集增益。

但是，STBC的正交碼組的構(gòu)建還存在一定的問(wèn)題。對(duì)于實(shí)數(shù)信號(hào)星座（PAM星座），它才可以構(gòu)造編碼速率為1的空時(shí)編碼算法。但是，對(duì)于一個(gè)普通的復(fù)數(shù)信號(hào)星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），當(dāng)發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時(shí)，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對(duì)于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于3、4以及大于4的系統(tǒng)，如果采用復(fù)數(shù)信號(hào)星座，那么最大的空時(shí)編碼速率只能達(dá)到3/4和1/2?？梢姡瑢?duì)于采用高階調(diào)制的高速率多天線的無(wú)線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時(shí)分組編碼算法，不可能充分地利用系統(tǒng)的有效性。因此，尋找更好的空時(shí)分組碼目前已成為一個(gè)研究方向；另外，如何在頻率選擇性信道、時(shí)間選擇性信道中充分利用空時(shí)分組碼的優(yōu)勢(shì)也是一個(gè)研究課題?？傊?，當(dāng)前STBC還是基于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于2的發(fā)射分集技術(shù)。

1.1.2 空時(shí)格碼（STTC）

STTC是從空時(shí)延遲分集發(fā)展來(lái)的，而空時(shí)延遲分集可以看作是空時(shí)格碼的一個(gè)特例?？諘r(shí)格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調(diào)制、發(fā)射分集結(jié)合在一起，可以同時(shí)獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大的提升?？諘r(shí)格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過(guò)多個(gè)天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復(fù)雜度較高，而且譯碼復(fù)雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。

早期的分集模型采用延時(shí)發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復(fù)一次，然后通過(guò)一個(gè)串/并轉(zhuǎn)換器，分成2個(gè)完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)調(diào)制后直接從一個(gè)天線發(fā)送出去；另一數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)一個(gè)符號(hào)的延時(shí)后，再經(jīng)調(diào)制從另一個(gè)天線發(fā)送出去。由于數(shù)據(jù)在2個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時(shí)了一個(gè)符號(hào)，所以盡管采用了延時(shí)編碼，卻不會(huì)存在頻帶效率的損失。在接收端，通過(guò)Viterbi譯碼可以進(jìn)行解調(diào)。這種延時(shí)的分集就是空時(shí)碼的雛形。可以證明當(dāng)前所講的STTC可以由延時(shí)發(fā)送分集實(shí)現(xiàn)。

延時(shí)分集技術(shù)的產(chǎn)生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復(fù)編碼，就能在保持同樣的數(shù)據(jù)速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產(chǎn)生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時(shí)分、調(diào)制于一體的空時(shí)編碼。

在空時(shí)編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。

1.2 空間復(fù)用

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份，分別在發(fā)射端的多個(gè)天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數(shù)據(jù)的混合信號(hào)后，利用不同空間信道間獨(dú)立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達(dá)到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的。空間復(fù)用與發(fā)射分集技術(shù)不同，它在不同天線上發(fā)射不同信息。

空間復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率（見圖3）。

使用空間復(fù)用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復(fù)雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有迫零算法（ZF）、MMSE算法、最大似然解碼算法（MLD）和貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)處理算法（BLAST）。

迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復(fù)雜度隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加呈指數(shù)增加，因此，當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的；綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復(fù)雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出的。對(duì)于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子流獨(dú)立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數(shù)據(jù)都可以通過(guò)不同的空間路徑到達(dá)接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復(fù)雜度太大，難以實(shí)際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對(duì)所有接收到的信號(hào)同時(shí)解碼，而是先對(duì)最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼，然后在接收信號(hào)中減去最強(qiáng)信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號(hào)都被解出。

2002年10月，世界上第一個(gè)BLAST芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，這標(biāo)志著MIMO技術(shù)走向商用的開始。

1.3 波束成型技術(shù)

波束成型技術(shù)又稱為智能天線，通過(guò)對(duì)多個(gè)天線輸出信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號(hào)在某個(gè)方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位（數(shù)據(jù)相同），以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集。

2 3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無(wú)法使用高階調(diào)制方式（如16QAM等）。

無(wú)線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，從而使得空間復(fù)用的效果更加明顯。

無(wú)線信號(hào)在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復(fù)用的效果要差許多。

對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對(duì)較小的無(wú)線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好地發(fā)揮效能。

因此，在MIMO的實(shí)際使用中，空間復(fù)用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結(jié)合使用。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等場(chǎng)景；當(dāng)信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農(nóng)村地區(qū)。這也是3GPP在FDD系統(tǒng)中推薦的方式。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統(tǒng)。

依據(jù)文獻(xiàn)［4］，波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì)收到太多路徑的信號(hào)，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號(hào)會(huì)導(dǎo)致DOA信息估算困難。

3 二重接收分集技術(shù)的數(shù)據(jù)速率提升作用

3G（WCDMA）室內(nèi)空間二重分集接收的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)速率，也可說(shuō)明多天線作用。室內(nèi)分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內(nèi)覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)該思考在大樓內(nèi)建3G基站，該花的錢，如基站主設(shè)備、物業(yè)、管道、基房、配套電源及空調(diào)等等加起來(lái)恐怕不會(huì)少于10萬(wàn)元，但僅僅缺少一路主饋線（200 m 0.6萬(wàn)元）不能用于分集（注意，原2天線1~2之間8 m沒有分集），現(xiàn)改為分集，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量翻倍。

4 不強(qiáng)不弱的均勻信號(hào)覆蓋對(duì)數(shù)據(jù)速率的影響

在3G/4G技術(shù)中，MIMO技術(shù)理論上為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，但是在實(shí)際覆蓋區(qū)內(nèi)信號(hào)太強(qiáng)或太弱都不可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高階調(diào)制，只有不強(qiáng)不弱的均勻信號(hào)才能采用數(shù)據(jù)高階調(diào)制，從而得到數(shù)據(jù)速率的提升。

4.1 泰爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［5］

泰爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)WLAN（OFDM）數(shù)據(jù)速率與場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系見表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi設(shè)備性能

京信公司無(wú)線傳輸與接入事業(yè)部提供的A8 Super Wi-Fi設(shè)備性能見表3。

實(shí)際工程為了90%無(wú)線覆蓋區(qū)可接入系統(tǒng)，應(yīng)有8dB陰影衰落儲(chǔ)備，因此其覆蓋電平對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)速率應(yīng)如表3所示。

4.3 結(jié)論

從表2和表3可看出當(dāng)接收機(jī)輸入電平為-82dBm時(shí)，數(shù)據(jù)速率僅為6 Mbit/s，當(dāng)接收機(jī)輸入電平為-65dBm時(shí)，數(shù)據(jù)速率達(dá)到54 Mbit/s，數(shù)據(jù)速率提升9倍，說(shuō)明未來(lái)LTE基站邊界電平應(yīng)取-75dBm，而不是2G時(shí)代的-85dBm。

5 未來(lái)MIMO天線建設(shè)模式

將可能有2種天線建設(shè)模式：即2G/3G時(shí)代的宏基站天線建設(shè)模式和分布式天線建設(shè)模式。

5.1 宏基站天線建設(shè)模式

宏基站天線建設(shè)模式如圖5所示，將MIMO天線放在3扇區(qū)中心的30 m高塔上。圖6示出的是宏基站覆蓋信號(hào)電平分布示意圖。

5.2 分布式天線建設(shè)模式

圖7示出的是文獻(xiàn)［3］給出的建設(shè)模式。圖7中1+6個(gè)近遠(yuǎn)端覆蓋范圍等于1個(gè)宏基站覆蓋范圍。覆蓋區(qū)內(nèi)采取小功率、多天線的模式進(jìn)行覆蓋。天線掛高不宜過(guò)高（8m左右）；室外天線口功率為15~30dBm；市區(qū)天線覆蓋半徑在150 m以內(nèi)。

無(wú)線區(qū)域中心地理位置位于片區(qū)中心，射頻拉遠(yuǎn)遠(yuǎn)端機(jī)以無(wú)線區(qū)域中心為圓心向各個(gè)方向拉遠(yuǎn)覆蓋。

比較圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)：采用分布式天線建設(shè)模式可以得到不強(qiáng)不弱的信號(hào)覆蓋，依據(jù)文獻(xiàn)［3］和［5］，數(shù)據(jù)速率將提升3倍以上，因此，MIMO應(yīng)采用分布式天線建設(shè)模式。采用當(dāng)前3G的宏基站天線建設(shè)模式時(shí)，最大問(wèn)題是覆蓋區(qū)內(nèi)信號(hào)電平分布極不均勻，信號(hào)功率按距離四次方衰減，覆蓋區(qū)內(nèi)有一半?yún)^(qū)域（信號(hào)電平為-75~-85dBm）不能提供高速率數(shù)據(jù)，此時(shí)需大量的中繼拉遠(yuǎn)設(shè)備（無(wú)線或有線光纖拉遠(yuǎn)設(shè)備）來(lái)覆蓋信號(hào)陰影區(qū)，才能保證95%區(qū)域信號(hào)電平達(dá)到-75dBm以上，否則會(huì)回到2G時(shí)代只能提供低速率數(shù)據(jù)。

6 當(dāng)前密集城區(qū)使用智能天線問(wèn)題討論

上文提到MIMO技術(shù)有波束成型和分集，它們最大區(qū)別是前者的直列陣子相關(guān)性很強(qiáng)，直列陣子之間距離在0.5個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)。后者直列陣子相關(guān)性很差，陣子之間距離在10個(gè)波長(zhǎng)之上稱為空間分集或用交叉極化天線來(lái)達(dá)到分集效果。那么當(dāng)前TD-SCDMA在密集城區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)的垂直極化智能天線效果如何，其實(shí)早就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)際還不如將垂直極化天線陣（8列垂直極化天線陣）換成交叉極化天線陣（4×2交叉極化天線陣）。此時(shí)智能天線作用被弱化，分集作用加強(qiáng)，這就是TD-SCDMA有8通道分集，其中4通道+45°與另外的4通道-45°實(shí)現(xiàn)交叉極化二重分集。

建議對(duì)于密集城區(qū)，每個(gè)扇區(qū)采用四重分集（4×4 MIMO天線）。

可將當(dāng)前的2 W 8通道，減為10 W 4通道，用交叉極化分集和空間分集聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)4通道分集，獲得增益6dB。這樣取消3扇區(qū)基站共24（3×8）個(gè)塔放被， 將27（3×9）根射頻饋線減為12（3×4）根，81（3×3×9）個(gè)防水接頭減為12（3×4）個(gè)。對(duì)于市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此可用垂直極化6（或4）列智能天線，不建議使用交叉極化智能天線。